HiLo, il tetto in calcestruzzo super sottile per generare più energia

I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno costruito un prototipo di un tetto in calcestruzzo ultra-sottile e curvo utilizzando innovativi metodi di progettazione digitale e di fabbricazione. In Svizzera infatti continuano in maniera incessante le ricerche per questa tipologia di copertura che farà parte di HiLo, un vero e proprio appartamento che sarà sede di NEST. Che cosa è NEST? Next Evolution in Sustainable Building Technologies è un centro di ricerca e dimostrazione per tecnologie avanzate ed innovative che sorge a Dübendorf, in Svizzera.

Il suo obiettivo, silenzioso ma importante, è quello di innovare i settori delle costruzioni ultra leggere e dei sistemi di edifici intelligenti. NEST ha intenzione di fare questo realizzando moduli vivibili e uffici scambiabili proprio come HiLo, che permettono di dimostrare, testare e ottimizzare i materiali e i sistemi innovativi in condizioni di vita reale.

I quattro fattori chiave di HiLO

Visto che rappresenta uno dei primi moduli realizzati da NEST, HiLo utilizza elementi innovativi di progettazione, materiali, schemi di costruzione e sistemi di controllo che rappresentano appieno i principi dello sviluppo sostenibile. L’obiettivo principale di HiLo è quello di diminuire la cosiddetta embodied energy, ovvero la quantità di energia impiegata durante le varie fasi di vita di un edificio, dalla costruzione alla demolizione, e di farlo attraverso soluzioni progettuali sostenibili e senza gravi compromessi architettonici.

Per fare questo HiLo introduce nel modo di costruire quattro fattori chiave, visibili sinteticamente nell’immagine sopra.

1. Un pavimento funicolare – L’introduzione di una volta funicolare come pavimento produce un sistema estremamente leggero con un risparmio di oltre il 70% del peso rispetto alle lastre tradizionali in calcestruzzo.
2. Un tetto sottile – Un tetto molto leggero e estremamente sottile appoggia sulla struttura alleggerendola ancora di più. Il tetto è integrato con un sistema di riscaldamento e raffreddamento idronico e una serie di pannelli fotovoltaici ed è realizzato tramite un sistema di cablaggio misto in rete e tessuto di alta efficienza.
3. Una facciata solare adattabile – Una facciata adattabile realizzata con pannelli statici e mobili ruotano per rispondere all’ambiente esterno e alle esigenze dell’interno e migliorano il proprio funzionamento attraverso algoritmi di apprendimento adattivo. Il funzionamento è molto simile a quello delle facciate dinamiche di cui abbiamo discusso in un precedente articolo.
4. Un sistema di costruzione automatizzato – HiLo è dotato di un sistema di automazione interno che punta a raggiungere le zero emissioni durante l’esercizio, controllando la climatizzazione interna e la raccolta di energia per equilibrare in modo ottimale le dinamiche e le preferenze degli utenti.

Il tetto super sottile

Tra questi quattro punti, il tetto sottile in calcestruzzo è quello che recentemente è stato realizzato separatamente per la prima volta. Questo tetto è composto da quattro strati differenti: una rete di cavi in acciaio, un rivestimento in tessuto, un rinforzo tessile e infine il calcestruzzo spruzzato. Come prima cosa viene realizzata la rete metallica, costituita da anelli che mantengono in tensione le sottili barre di acciaio; questa rete viene fissate alle estremità ad un ponteggio provvisorio in legno.

La geometria del tetto può quindi essere regolata stringendo o allargando a piacere i tiranti selezionati e registrando il campo di spostamento risultante tramite marcatori sferici e circolari, nonché attraverso le variazioni di forza nelle celle di carico posizionate ai quattro punti d’angolo della rete. Il processo di controllo della rete che determina le necessarie correzioni si basa su complicati sistemi sviluppati dall’Istituto di Geodesia e Fotogrammetria dell’ETH di Zurigo.

Viene poi successivamente steso un tessuto polimerico che serve come cassaforma per il calcestruzzo. La rete di cavi è progettata per assumere la forma desiderata sotto il peso del calcestruzzo bagnato, grazie ad un metodo di calcolo sviluppato dai ricercatori di Zurigo. Gli algoritmi assicurano che le forze siano distribuite correttamente tra i singoli cavi d’acciaio e il tetto assuma la forma desiderata in modo preciso. La rete in acciaio pesa 500 kg e il rivestimento in tessuto 300 kg; quindi, con un totale di soli 800 kg di materiale, 20 tonnellate di calcestruzzo sono supportate.

Il calcestruzzo è l’ultimo passaggio per la realizzazione di questo tetto super leggero. Una speciale miscela di calcestruzzo viene spruzzata e stesa sul tessuto, usando un metodo sviluppato appositamente per questo scopo, assicurando che il tessuto possa resistere in ogni momento. Gli scienziati hanno determinato il corretto mix di calcestruzzo, che deve essere abbastanza fluido per essere spruzzato, ma abbastanza viscoso da non scorrere nei punti verticali.

Bobine di riscaldamento e raffreddamento e un cappotto isolante sono poi installati sullo strato interno del calcestruzzo, mentre sullo strato esterno viene installato un sottile film di celle fotovoltaiche. Il prototipo di tetto realizzato in scala 1:1, già smontato per fare spazio agli esperimenti futuri, era alto 7.5 m con una superficie di 160 metri quadri. Il calcestruzzo aveva uno spessore medio di 5 cm, variando da 3 cm lungo i bordi del tetto a 12 cm sulle superfici di supporto.

Il concetto sviluppato da NEST con HiLo non è solo interessante per l’inusuale design del tetto, ma soprattutto per il compenso energico finale. L’innovativo sistema di pavimenti leggeri, insieme al tetto ultra sottile che riduce la domanda sulle fondamenta e alla facciata solare adattabile danno luogo ad una costruzione con un bilancio energetico finale positivo: HiLo genera più energia di quanta ne consuma.